伺服作动器

伺服作动系统技术特性（续）： 4)额定速度 在额定状态下额定输入指令时的输出速度。结合系统频宽 和可能产生功率反传〔对于分离舵机）来综合考虑，同时 要有饱和速度的限制。 分辨率 5）分辨率 分辨率也称阈界，指从零位到引起可测输出变化的最小输 入指令值。通常要求为输入幅值的1％左右。具体由详细 规范来规定。 6）滞环 以最大输入指令的10％作为输入时，同一输出量的输出 特性上升和下降沿所对应的输入信号差值相对额定输入值 的百分比。其指标按详细规范来确定，一般为3％左右。
伺服作动系统功能： 飞控系统的伺服作动分系统，是用于控制飞机各气伺服作动器两种主要功能单 元所构成的一个 元所构成的 个闭环伺服控制系统。该系统执行来自飞行 控制计算机(控制律)的指令，并进行信号形式的转换(即 将电气信号转换为作动器的机械运动)，用于驱动飞机气 动控制面(舵面)的偏转，从而实现飞行控制系统对飞机飞 行进行控制的目的。 具备对自身工作状态检测、故障处理及状态申报等能力。
伺服作动系统技术特性： 1、物理特性 1)重量 在满足性能要求的前提下重量尽可能小． 在满足性能要求的前提下重量尽可能小 2）结构尺寸 伺服作动器的结构尺寸符合飞机给定的空间尺寸。既要考 虑到总的技术性能要求又要顾及安装空间的限制。 3）安装 伺服作动器的安装要适合机上的要求． 伺服作动器的安装要适合机上的要求
机电作动系统的关键技术（续） ( )机械传 (3) 机械传动技术 术 EMA 机械部分包括电机转子、机械传动链、负载，构成 机械式低通滤波器。 EMA 机械传动链有3 种： (齿轮副)) 蜗轮-蜗杆、齿轮 蜗杆 齿轮-齿条、齿轮副 齿条 齿轮副-丝杠 电机单轴输出采用结构紧凑、传动比大、传动效率高、易 于实现零侧隙传动的谐波齿轮或行星齿轮减速器。 于实现零侧隙传动的谐波齿轮或行星齿轮减速器 EMA取代液压作动系统的优点是能够降低例行维护量 目前存在的主要问题：减速器侧隙和丝杠间隙引起的非线 性与闭环共振问题； 杠在动态大负载下损伤问题；以及 性与闭环共振问题；丝杠在动态大负载下损伤问题；以及 机械卡死、能量损耗和效率问题。
电动伺服作动系统 电液伺服作动系统
传统的液压作动系统将有可能完全被新型功率电传作动 器，采用功率电传作动器的电力作动系统，通过电导线 以电能量传输的方式完成，而现行机载液压作动系统则 通过遍布机身的液压管路里的油液来传递功率。 电动静液作动器 机电作动器 (EHA，Electrical (EMA，Electrical Hydrostatic Actuator) Mechanical Actuator) 研究表明，飞行控制舵面采用电动作动器后，重量大大减 轻 结构简化 具有更强的容错能力 使飞机具有可靠性 轻，结构简化，具有更强的容错能力，使飞机具有可靠性 高、可维修性好，重量减少而飞行性能提升。同时由于降 低燃油使用及消耗 极大提升了飞机出勤率 节省费用 低燃油使用及消耗，极大提升了飞机出勤率，节省费用， 具有极佳的经济效应。
飞机电传操纵系统
伺服作动系统及作动器
航空自动化学院
2013.11
第六章 伺服作动系统及作动器
伺服作动系统是自动飞行控制系统的执行机构，它接受 伺服作动系统是自动飞行控制系统的执行机构 它接受 飞行控制系统的控制指令驱动飞机舵面偏转，进而完成 对飞机的飞行姿态和轨 的控制 其性能直接影响着飞 对飞机的飞行姿态和轨迹的控制。其性能直接影响着飞 机的飞行品质，如操纵性、稳定性、安全可靠性等。比 较常见的作动系统类型包括液压 电力 气压和机械等 较常见的作动系统类型包括液压、电力、气压和机械等， 其中又以需要中央液压源提供动力的传统液压作动器应 用最为广泛。 伺服作动系统分类：
典型伺服作动系统比较： 1、机电作动器EMA 机电作动系统：通过控制电动机或电器运行直接或间接 地控制负载运动，实现目标位置伺服控制的一类系统的 总称。 机电作动系统在飞机飞控中应用，极大提升飞机的可靠 性、可维修性和灵活性，减轻飞机重量及燃油消耗。相 较于维修费用高而又易受损伤的传统类型作动系统，其 安全性能和经济性能都有较大的优势。
伺服作动系统技术特性（续）： 性能特性（续）： 7)零位漂移 在温度、压力、加速度等变化的条件下零位产生的变化 量。在环境条件恢复到正常状态时零位能够恢复到原状 态。通常限制在5%左右，具体应按详细规范确定。 8)最大输出力 在额定工作状态下作动器输出的最大作用力。 在额定工作状态下作动器输出的最大作用力 设计上一定要满足飞机要求以便具有足够驱动舵面的作 用力 但不可超过限制的公差范围 避免造成损坏 用力，但不可超过限制的公差范围，避免造成损坏。
伺服作动系统技术特性（续）： 2、性能特性： 1) 频率响应 在总输入幅值5%~10%的输入信号下测试。改变测试 输入频率直到输出幅值衰减3db 时的频率定义为伺服作 动系统的频宽。对于快速响应系统很重要，要求系统的频 宽为飞机频带的3 倍~5 倍左右。 2)瞬态响应 系统输出对所加阶跃输入的时间响应。响应时间超调量及 剩余振荡次数与频率响应相关。根据机型实际要求而定。 3)线性度 线性度是输出与输入关系曲线对直线的偏差。其指标要求 通常在10％左右，具体情况应视详细规范要求来定。
液压泵结构及工作原理
集成电静液作动器IPA（Integrated Actuation Package） IAP：定转速驱动电机、伺服控制液压柱塞泵(伺服泵)、 液压作动筒和伺服泵控制器等四部分构成
气动作动器 气动作动器工作 原理与液压作动 器一样，其结构 由气压缸和伺服 阀组成。只是工 作介质是空气。 气动、液压和电 动作动器综合性 能比较如表所示
机 作动系统在 机应用发展 势 机电作动系统在飞机应用发展趋势 (1) EMA 逐渐向高功率密度化发展。 (2) EMA 向多余度高可靠性方向发展。 (3) EMA 向高集成化方向发展。 (4) EMA 智能控制中心是未来全电飞机中不可或 缺的机载设备。
2、电静液作动器 静液作动 EHA 大型飞机舵面需要中央液压系统，采用电液伺服阀控制液 大型飞机舵面需要中央液压系统 采用电液伺服阀控制液 压作动器：用普通交流电动机驱动定量或变量的液压泵产 生液压动力去推动液压油缸(或马达)。电液伺服阀限定流 电液伺服阀限定流 量和方向。 优点：输出力大、定位精度高、动态响应好、刚度高 传统分布式液压系统缺点：泵和阀由于磨损和污染引起的 故障、泄漏、寿命周期低、维修费用高、功率传输效率随 距离增加而显著下降，管路易受损伤等。 解决的有效途径：引入功率电传作动系统概念。
伺服作动系统技术特性（续）： 性能特性 续 性能特性（续）： 9)行程 指作动器在正反两个方向运动位移量的总和。 指作动器在正反两个方向运动位移量的总和 额定行程是用以正常控制飞行而必须达到的指标。 最大行程是对控制权 的 制 是不 逾越的指标 由 最大行程是对控制权限的限制，是不可逾越的指标，由 详细规范确定。 10)刚度：刚度包括静、动态刚度。 动态刚度又称为阻抗特性，是输出端所受到外载荷与作 动器外力作用下产生的位移之比。 动态刚度太差则极易引发舵面颤振，设计中对刚度方面 的考虑不容忽视
EHA 方案与EMA 方案的综合比较（续） (4)电动静液作动系统与机电作动系统相比，更好解决系统 发热问题 如：电机和泵可做成 体，泵的泄漏流体可直 发热问题。如：电机和泵可做成一体，泵的泄漏流体可直 接对电机润滑、冷却。 (5)电动静液作动系统可通过改变电机、泵和油缸之间相对 电动静液作动系统可通过改变电机 泵和油缸之间相对 位置改变作动器的尺寸；机电作动器中电机、减速器和滚 珠丝杆的相对位置不能随意改变 对有限空间电动静液作 珠丝杆的相对位置不能随意改变，对有限空间电动静液作 动系统可以随控布局，具有相对优势。 (6)电动静液作动器保留传统液压作动系统很多优点，具有 电动静液作动器保留传统液压作动系统很多优点 具有 和传统阀控作动系统一样的舵面接口，对现有系统的结构 改动量小 技术风险小 更受飞机制造者的偏爱 改动量小，技术风险小，更受飞机制造者的偏爱。
EHA系统的性能指标
EHA作动系统：飞控计算机、接线盒、飞机400Hz电 源逆变器、功率监控电路及EHA作动器本体。 EHA作动器：由电动机、液压泵、液压油箱、检测阀、 作动器 由电动机 液压泵 液压油箱 检测阀 油滤、释放阀、管道和液压作动器组成。
EHA 方案与EMA 方案的综合比较 (1)电静液作动系统功率密度大，是机电作动器的10-30 倍。 (2)机电作动系统减速器采用滚珠丝杆或谐波齿轮，价格昂 贵且定位精度较低，电动静液作动系统中的减速器通过液 压的方式，具有很高的定位精度、刚度，且可以方便的实 现无级调速。 (3)机电作动器的减速器容易发生故障，引发舵面故障。
机电作动系统的关键技术（续） (2) 驱动控制技术 为实现直线运动控制，EMA的控制需要指定目标位置、 载荷、直线速度和加速度，其可控性取决于每个元件特 性以及元件之间的接口。 小功率EMA 的驱动采用硬开关PWM 技术。 大功率EMA 中常采用软开关技术。 现有EMA 设计基于系统性能优化和系统对不确定性干 扰鲁棒性的，而没考虑系统运行寿命。 的 而没考虑系统运行寿命 目前新观点：将运行寿命作为控制量融入到系统控制中。 然而 电机寿命预测模型的建立需要进 步的研究和试 然而，电机寿命预测模型的建立需要进一步的研究和试 验验证。
气动作动系统结构：电气伺服马达、电磁阀、螺杆、轴承 和导杆等组成。 特点：电气伺服马达驱动电磁气动阀，控制活塞两侧气缸 内高压空气的进入与排出。
思考题： 1、伺服作动系统分类及其各自的特点？(EMA,EHA) 2、作动系统的频宽定义？ 作动系统的频宽定义？ 3、作动系统的分辨率是什么？ 4、作动系统的动态刚度定义？
电静液作动器EHA（续） EHA系统中电机驱动液压泵，把油液从其自身小油箱中 输出 驱动副翼 其液压系统与中央液压系统相对独 输出，驱动副翼，其液压系统与中央液压系统相对独立。 洛克希德·马丁公司在 (AFTI)/F-16 上搭建试验平台，在22 年的服役期间 完成了包括F-16 年的服役期间，完成了包括 F 16 在内多种先进飞机的飞 行试验。 F-16试验平台从1997 年到2000 年进行了彻底改造，原有 年进行了彻底改造 原有 的副翼、水平尾翼和方向舵的液压伺服作动器用EHA 取 代 并改造了新电源系统 以便提供270V直流电源。 代，并改造了新电源系统，以便提供 直流电源